高剪切速率下高分子熔体非稳态流变行为的研究

It is necessary to study on non-steady-state rheological behavior of polymer melts at high shear rate, in order to solve some problems represented in polymer processing. For example, it is difficult to check the validity of proposed viscoelastic models or characterize the micro-structure of polymer melts at high shear rate, using the commercial rheometer. The superposition of oscillatory deformation of small amplitude upon steady shear flow and the transient rheological test are realized by the multi-function and all-electric rheometer (MAR) designed by independent research. Supported by this project, the following work will be dong. First, a device is going to be developed to test the vertical superposition of oscillatory deformation of small amplitude upon steady shear flow,based on MAR. Second, some non-steady-state rheometry mode is realized at high shear rate. Third, the nonlinear viscoelastic material function is obtained, which can be used to characterize the structure of polymer melts and to check the validity of proposed viscoelastic models at high shear rate. And finally, an accurate nonlinear viscoelastic constitutive equation will be obtained to describe the rheological behavior at high shear rate and instruct the polymer processing.

加工中出现的问题有时必须通过深入研究高剪切速率下高分子熔体的非稳态流变行为才能解决，如高剪切速率下材料结构的流变学表征、非线性黏弹性模型的检验，而商业化的仪器无法进行该领域的研究。自行研制的多功能全电动式流变测试仪（MAR）实现了高剪切速率流场平行叠加小幅振荡的流变测试及瞬态流变测试。在本项目的资助下，申请者将开发基于MAR的高剪切速率流场垂直叠加振荡剪切的流变测试模块；实现起始流动、稳切流停止、叠加振荡剪切等多种模式的高剪切速率非稳态测试；借鉴应力分解、Chebyshev多项式分析法等理论对实验数据进行处理，得到高剪切速率下非线性粘弹性物料函数，可用于高剪切速率下高分子熔体结构的"指纹"化表征和本构方程的检验；通过对比物料函数的预测值和实测值，检验非线性粘弹性本构方程在高剪切速率下的适用性，并进一步修正，得到可靠的便于工程应用的非线性黏弹性本构方程。

加工中出现的问题有时必须通过深入研究高剪切速率下高分子熔体的非稳态流变行为才能解决，如高剪切速率下材料结构的流变学表征、非线性黏弹性模型的检验，而商业化的仪器无法进行该领域的研究。.自行研制的多功能全电动式流变测试仪（MAR）实现了高剪切速率流场平行叠加小幅振荡的流变测试。为保证测试的可靠性，通过实验对MAR的控制精度进行了分析。研究表明，温度和位移控制误差均满足实验要求。温度控制误差小于±0.4℃，振动频率控制误差不超过0.1Hz，相对误差不超过0.2%，振幅控制相对误差在5%～0.5%的范围内。.剪切应力、剪切应变和剪切速率是流变测试需要得到的最重要的量，但均不能直接测量，需建立相关理论，由可直接测量的物理量求得。基于少量假设，推导了瞬时剪切应力表达式并给出了各参数的确定方法。给出了剪切应力表达式中可压缩性、重力及惯性影响是否可忽略的判断标准。推导了表观剪切速率和表观剪切应变的表达式。.对剪切应力进行了实验研究。实验结果表明：剪切应力可分解为稳态分量和非稳态分量；剪切速率非稳态分量的应力响应存在非线性，非稳态分量的物料函数不能简单沿用线性黏弹性区非稳态流变测试的物料函数，需要定义新的物料函数。定义了 为平行叠加振荡流场稳态分量的表观黏度，作为表征平行叠加振荡流场稳态分量流变行为的物料函数。根据傅里叶变换流变学法和应力分解法，分别推导了表征平行叠加振荡流场非稳态分量流变行为的物料函数，并给出了计算实例。.Wagner模型是聚合物溶液或溶体的流变特性表征以及数值模拟中经常采用的本构方程，检验其在高剪切速率下的适用性有重要意义。基于Wagner本构方程，根据剪切应变随时间变化的函数 ，推导了平行叠加振荡剪切流场的剪切应力随时间变化的函数 。利用旋转流变仪对所选材料进行测试，根据测试结果拟合得到Wagner模型的具体形式，进一步计算高剪切速率下高分子熔体非稳态测试时的物料函数，同时利用MAR测得物料函数的实测值。将理论值与实测值了对比，发现基于Wagner本构方程预测高剪切速率下的高分子熔体黏弹性理论值与实测值之间存在较大大偏差。分析了造成了这种误差的原因，并指出了Wagner本构方程的改进方向。.通过对流动方式、测试模式等多方面的研究，确定了垂直叠加振荡模块的整体结构。通过细致分析和严谨的计算确定了模芯转子、料筒、扭矩传感器等一些关键零部件的设计与选型。